Tanque criogénico de hidrógeno: un concepto de futuro para la aeronáutica
Dado que el 2% de las emisiones globales de CO2 provienen de la aviación, y que las emisiones de CO2 de los aviones han aumentado un 10% entre 2014 y 2017, es hora de reaccionar y pasar a lo ecológico. La transición energética global está ocurriendo ahora. Para el 2050, los aviones tendrán que reducir sus emisiones de CO2 en un 50%. ¿La solución? El hidrógeno, que ya se está considerando para los barcos y los camiones, es una solución alternativa para la producción y el almacenamiento de energía. Pero, ¿cómo puede almacenarse el hidrógeno en un avión?
Aviones ecológicos en 2050
Volar «verde» respetando el medio ambiente es la ambición de los fabricantes de aviones para 2050. Esto será posible gracias a los aviones eléctricos en lugar de los propulsados. Sin embargo, es impensable colocar baterías en un avión debido a su peso. De hecho, añadir baterías a un avión lo haría 20 veces más pesado. La solución: crear electricidad en el lugar. ¿Pero cómo se crea la electricidad en el aire?
La elección recayó en el hidrógeno en su forma líquida a -252,85°C, lo que permite un almacenamiento menos peligroso y en mayores cantidades que en su forma gaseosa. Hoy en día estamos siendo testigos de un creciente uso del hidrógeno para la producción de electricidad o como combustible directo. La ventaja del hidrógeno es que es ligero, lo que permite reducir el peso de la aeronave y por lo tanto su consumo de energía en vuelo.
Por lo tanto, en la aeronáutica, el hidrógeno se considerará una fuente de energía intermedia para la producción de electricidad. Este proceso formará parte de un círculo virtuoso ya que el hidrógeno se producirá a partir de la electricidad «verde», a su vez producida por paneles solares y energía eólica.
Así pues, Airbus ha seleccionado 3 tipos de aeronaves para el desarrollo de aeronaves «verdes»:
Primer concepto: el Turbofan. © Airbus
Un turborreactor con 120 a 200 pasajeros, lo que equivale a un A220 o un A320 con un alcance de más de 3500 kilómetros.
Un avión turbohélice regional de 100 pasajeros con un alcance de 1800 kilómetros.
Un ala voladora con una capacidad y una autonomía similares a las de un turborreactor.
¿Cómo se almacena el hidrógeno en un avión?
Técnicamente hablando, el hidrógeno es difícil de almacenar. Es un gas que tiene una densidad muy baja a temperatura y presión ambiente: se necesita un volumen de 11 m3 para contener 1 kilo de hidrógeno.
Almacenar el hidrógeno a temperatura y presión ambiente no es posible porque ocuparía demasiado espacio. Por lo tanto, hay dos opciones posibles: almacenarlo a presión en estado gaseoso o enfriarlo hasta -252,85°C, su temperatura de licuefacción.
La mejor opción es licuarla a una temperatura inferior a -253°C. En este caso, el tanque criogénico se somete a una presión menor porque un líquido es menos comprimible que un gas. Por el momento, esta solución de almacenamiento a temperatura criogénica se utiliza en el sector espacial, para tanques de hidrógeno, combustible para cohetes, y está siendo fuertemente considerada en el mundo de la aeronáutica. Esta solución es preferible al tanque presurizado por razones de espacio y seguridad. En efecto, la densidad del H2 líquido es mucho mayor que la del gas presurizado, lo que permite almacenar la misma cantidad de hidrógeno en un volumen reducido. Además, esto evita el uso de altas presiones (700 bar) y los riesgos inherentes a esta solución.
Un pequeño recordatorio sobre la criogenia
La criogenia es el estudio de las bajas temperaturas por debajo de -150°C. En resumen, es la temperatura a la que los gases se licuan.
La temperatura de licuefacción a presión atmosférica:
Hoy sabemos cómo alcanzar estas temperaturas. El problema: el almacenamiento de estos gases licuados a estas temperaturas tan bajas.
Aluminium cryogenic hydrogen tank. Source : Stirweld.
Densidad de almacenamiento del H2
¿Qué material para un tanque criogénico de hidrógeno de alto rendimiento?
¿Acero, compuesto o aluminio?
En primer lugar, el material elegido para un tanque criogénico de hidrógeno debe cumplir absolutamente con estos criterios:
Como resultado, se están considerando varios materiales para el depósito criogénico de hidrógeno. Está el acero, que es demasiado pesado y por lo tanto no es recomendable; las aleaciones de titanio, que son demasiado caras; el compuesto de fibra de carbono, que no es reciclable y es muy caro pero muy ligero, y finalmente el aluminio, que es ligero, resistente y menos caro que el compuesto. Así que se puede ver que la batalla se está librando entre el compuesto y el aluminio.
El compuesto plantea dos problemas: su expansión térmica diferencial, que conduce a fuertes variaciones dimensionales, la aparición de microfisuras y por lo tanto la permeabilidad del material. En cuanto al aluminio, sus propiedades mecánicas permanecen constantes o incluso mejoran a bajas temperaturas. Como se puede ver, el aluminio es el material más adecuado para la fabricación de depósitos criogénicos.
De hecho, debido a su baja densidad y a sus buenas propiedades mecánicas específicas, el aluminio garantizaría un tanque de vacío más ligero que el acero criogénico (del tipo de acero de aleación de níquel). Otro punto positivo es que el aluminio es infinitamente reciclable, lo que está perfectamente en línea con los esfuerzos actuales para reducir la huella ecológica. Además, el aluminio tiene una mejor resistencia a las bajas temperaturas que el acero. A muy bajas temperaturas, el acero se vuelve tan frágil como el vidrio, lo que hace que este material sea inutilizable para aplicaciones a muy bajas temperaturas. Por el contrario, el aluminio es uno de los únicos materiales cuyas propiedades mecánicas no se degradan a bajas temperaturas. Incluso tienden a mejorar. Esto es suficiente para explicar el gran interés del aluminio en aplicaciones criogénicas como el almacenamiento de hidrógeno líquido.
Tabla comparativa: acero soldado al arco, aluminio soldado al arco y por FSW
La soldabilidad del aluminio
Uno de los problemas es la soldabilidad del aluminio. Aparte de su baja densidad y su buena resistencia a la corrosión, el aluminio tiene una alta conductividad térmica y eléctrica. Estas características del aluminio hacen que la soldadura por fusión convencional sea más compleja. Debido a su alta conductividad térmica, se requieren altas energías de soldadura. También es importante tener en cuenta que el aluminio tiene una fuerte tendencia a la deformación durante la soldadura y que pueden aparecer defectos como resultado de la operación de soldadura (agujeros de soplado, porosidades, agrietamiento en caliente, debilitamiento de las propiedades mecánicas, degradación del material). Además, antes de soldar, el aluminio debe someterse a un grabado químico de la capa de alúmina refractaria.
Por lo tanto, con las técnicas de soldadura convencionales – TIG, MIG, MAG, arco eléctrico – el aluminio sigue siendo un material difícil de soldar. Sin embargo, en los últimos años hemos visto la aparición de un nuevo proceso para soldar aluminio: la soldadura por fricción-agitación o FSW. Una innovación revolucionaria que ha sacudido los códigos de nuestra industria.
Soldadura por fricción-agitación: la solución para soldar el tanque criogénico de hidrógeno
La tecnología FSW es una de las mejores técnicas para soldar tanques de hidrógeno de aluminio para la aeronáutica. Como una de las tendencias más avanzadas en el mundo de la soldadura, el FSW permitirá preservar las propiedades mecánicas del aluminio. Una soldadura FSW tendrá mejores propiedades mecánicas (coeficiente de eficiencia de la unión entre el 70 y el 100%) que una soldadura MIG (un coeficiente de eficiencia de la unión del 40-50%).
Este proceso también permite una disminución de la tasa de defectos posteriores a la soldadura, una perfecta repetibilidad y la posibilidad de soldar aleaciones de aluminio de alto rendimiento. Estas aleaciones de aluminio de alto rendimiento (series 2000 y 7000) tienen de hecho la reputación de ser «no soldables» por fusión. Hoy en día esto es posible gracias a la soldadura por fricción-agitación, su uso permitirá una reducción del espesor del depósito y por lo tanto una estructura más ligera. De la misma manera, el FSW forma parte de esta dinámica «verde» de los aviones, ya que es un proceso limpio, sin humo, sin gas, pero también sin la adición de material. Esto reduce el costo de los consumibles, dejando solo uno, la herramienta FSW.
El FSW, un proceso innovador en cuatro pasos:
El espacio en apoyo de la aeronáutica
Los temas abordados por el sector espacial son 100% transferibles al tema aeronáutico en lo que respecta a la tecnología del tanque criogénico de hidrógeno.
Descomposición de un cohete
Hoy en día la mayoría de los cohetes tienen una propulsión principal basada en la combustión de hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno, en su forma líquida, alimenta los motores de los cohetes. De hecho, durante los dos primeros minutos del despegue de un cohete, el empuje es proporcionado por impulsores de propulsor sólido. Estos impulsores laterales proporcionan el 90% de la potencia necesaria para el despegue. Entonces la etapa criogénica principal toma el control. Esta etapa consta de dos tanques: un tanque de hidrógeno y un tanque de oxígeno. Es la combustión de oxígeno e hidrógeno lo que impulsa al cohete durante los primeros diez minutos de vuelo.
El uso del hidrógeno es irremplazable en el espacio. Permite reducir considerablemente la masa y el volumen de los lanzadores. El espacio es, por lo tanto, el ejemplo a seguir en cuanto a los depósitos de hidrógeno criogénico.
Almacenamiento de hidrógeno
El hidrógeno se almacena en un tanque criogénico en su forma licuada a -253°C. Estos tanques están hechos de aluminio. Debido a sus excelentes propiedades mecánicas a muy bajas temperaturas, el aluminio es el material perfecto para esta aplicación. Los problemas de almacenamiento son los mismos que los de la aeronáutica.
Durante los últimos 15 años, el tanque criogénico de hidrógeno para cohetes han sido soldados por FSW con una herramienta de clavija retráctil para rellenar el agujero causado por la herramienta durante la operación de soldadura. El FSW se prefiere a otras técnicas de soldadura por varias razones:
Hoy en día varios tanques lanzadores han sido soldados por FSW. Estos incluyen el cohete Ariane 6, el Falcon 9 de Space X, el Atlas V de la ULA y el H-II de Mitsubishi. Otros están en proceso de fabricación, como el Falcon 9 FT & Heavy de Space X, el Angara A5, el Blue Origin, el Vulcan de la ULA, el H-III de Mitsubishi y el Long March-5.
Los aviones ecológicos son, por lo tanto, una prioridad para los fabricantes de aviones. Es urgente reducir la huella ecológica de nuestros aviones y contrarrestar su boicot. Así que estamos hablando de biocombustible, electricidad y otras soluciones, pero la única viable hoy en día es el hidrógeno. Por lo tanto, tomar el hidrógeno en vuelo para crear electricidad es el programa de desarrollo insignia para ser ecológico en 2050. El almacenamiento de hidrógeno no será posible sin un tanque de agua, luz y ahorro de espacio. Un material de la carrera: el aluminio. Un material ligero con propiedades mecánicas mejoradas a bajas temperaturas y cada vez más utilizado. Sus ventajas: es más barato que el compuesto y más ligero que el acero. ¿Qué más se puede pedir?
Podría surgir un problema: su soldabilidad. Una técnica de soldadura resuelve este problema: la soldadura por fricción-agitación. Un proceso limpio que conserva las propiedades mecánicas del aluminio y garantiza una perfecta conductividad térmica y un sellado perfecto.
Stirweld, un experto en el campo de la soldadura por fricción-agitación o FSW se ha unido a la incubadora de la ESA, el Centro de Incubación de Empresas en el norte de Francia. Esta incubadora, creada en 2018, promueve el desarrollo de empresas innovadoras y se basa no en la transferencia de tecnología sino en el despliegue de servicios y aplicaciones derivadas de la tecnología espacial. La incubación de Stirweld en el seno de la ESA permitirá el desarrollo de nuevos conceptos de piezas espaciales soldadas por FSW. Antes de ser incubada por el BIC de la ESA, Stirweld ya realizaba el 30% de su volumen de negocios en el sector espacial. Uno de sus principales clientes es Ariane, una compañía aeroespacial europea, para la cual Stirweld es un proveedor de primer nivel.
Descubra ESA BIC Nord France: https://www.esabicnord.fr/
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